La ricerca sulla fusione a Padova

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1 o La ricerca sulla fusione a Padova Impianto dell iniettore di fasci di neutri NBTF in costruzione

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3 La ricerca nel campo energetico ha un ruolo fondamentale nella crescita e nella prosperità sostenibile di ogni società. Le conoscenze acquisite nel campo della ricerca sulla fusione aprono la strada alla realizzazione di future centrali. La fusione potrà garantire un approvigionamento di energia privo di emissioni ad effetto serra, affidabile e a lungo termine.

4 Dal programma europeo Roadmap verso l elettricità da fusione Inizialmente, la ricerca sulla fusione era prevalentemente orientata alla conoscenza dei fenomeni fisici e della tecnologia, senza particolare impegno di risorse. Negli anni a seguire tale approccio è radicalmente cambiato in quanto è sempre più urgente il bisogno di disporre di una fonte energetica che risponda ai requisiti di sostenibilità ambientale, tecnologica e sociale Una prospettiva a lungo termine sulla fusione è obbligatoria in quanto le aspettative su tale fonte di energia sostenibile e sicura sono cresciute sempre più negli ultimi anni. Con questo obiettivo EFDA ha elaborato una Roadmap to the realisation of fusion energy, una tabella di marcia per arrivare ad immettere energia elettrica da fusione in rete entro i primi anni del ITER è la struttura chiave in questa tabella di marcia: la costruzione di ITER favorirà l innovazione industriale su una serie di tecnologie cruciali per la fusione e non solo. Il suo completamento, la sperimentazione che ne conseguirà e la gestione di tale organizzazione saranno tappe fondamentali verso la centrale elettrica a fusione. Ecco perchè il successo ITER è il più importante obiettivo generale di tutto il programma.

5 ad una collaborazione mondiale Parametri Principali potenza da fusione 500 MW amplificazione di potenza 5-10 raggio maggiore del plasma 6,2m raggio minore del plasma 2 m volume del plasma 840 m 3 corrente del plasma 15 MA campo toroidale sull asse 5,3 T Il reattore sperimentale ITER Perchè questo accada è necessario affrontare una serie di sfide tecniche e scientifiche. Per ciascuna sono state sviluppate diverse soluzioni e l obiettivo del programma è di sperimentarle e dimostrare quali funzioneranno anche in un reattore a fusione. Otto diverse missioni sono state definite nella Roadmap. Saranno affrontate da Università, laboratori di ricerca e industrie attraverso un programma mirato. Questo sforzo non sarà perseguito solo a livello europeo: tutte le opportunità di collaborazioni internazionali verranno valutate e sfruttate. Con la firma dell accordo internazionale tra Europa, Giappone, Russia, Stati Uniti d America, Cina, Repubblica di Corea e India, nel 2006 è stata avviata a Cadarache, nel sud della Francia, la costruzione di ITER. In particolare la Roadmap prevede, nei primi dieci anni di sperimentazione su ITER, di mettere a punto gli scenari operativi del reattore dimostrativo DEMO. A questo scopo, parte dell attività di ricerca e sviluppo sarà realizzata su esperimenti satellite come JET, ASDEX-UG, JT-60SA. In parallelo, grazie anche al laboratorio IFMIF, si studieranno i materiali capaci di soddisfare alle richieste tecniche per l uso nelle future centrali a fusione.

6 settori di attività Consorzio RFX Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri - Attività di accompagnamento al Progetto ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Formazione Numerosi e complessi sono i fenomeni che caratterizzano il comportamento dei plasmi da fusione, confinati tramite campi magnetici. La macchina RFX è un esperimento da fusione a confinamento magnetico di medie dimensioni, realizzata per studiare tale comportamento e ridurre i meccanismi che destabilizzano il plasma. RFX può funzionare sia in configurazione Reversed Field Pinch che in configurazione Tokamak. L esperimento RFX è entrato in funzione nel I risultati ottenuti hanno portato a nuove conoscenze e a continui miglioramenti dell impianto che è stato profondamente modificato tra il 1999 e il 2004, in particolare con l installazione di un sistema di controllo del plasma composto da 192 bobine indipendenti.. La sperimentazione sulla macchina modificata (RFX-mod) è ripresa nel I risultati confermano che le scelte effettuate garantiscono un miglior controllo della configurazione magnetica ed, in ultima istanza, un aumento della temperatura del plasma. Principali parametri progettuali Parametri ottenuti Raggio maggiore 2 m Raggio minore 0.5 m Max corrente di plasma 2 MA Max corrente di plasma 2 MA Durata dell impulso 250 ms Durata dell impulso >0.5 s Temperatura elettronica 1 kev Temperatura elettronica >1.2 kev Potenza installata 400 MVA

7 Consorzio RFX Obiettivo principale della ricerca con l esperimento RFX è migliorare il controllo delle instabilità di plasma in regimi ad elevata corrente. Il miglioramento del confinamento, cioè della capacità del plasma di trattenere il calore prodotto dalla corrente, richiede la comprensione dei meccanismi che regolano il trasporto del calore e di materia. Per questo RFX è equipaggiato con sistemi diagnostici per la misura delle proprietà del plasma, quali ad esempio il campo magnetico, la temperatura ionica ed elettronica, la densità, l emissione di raggi X, la presenza di impurezze. Gli esperimenti vengono svolti con plasmi di Idrogeno, Deuterio o Elio; la pressione iniziale è pari a 1 milionesimo di quella atmosferica (10-3 mbar pari a circa 1 mg di idrogeno in 8 metri cubi). L ottimizzazione dell esperimento ha permesso di effettuare prove con corrente di plasma elevata, fino a 2 milioni di Ampere (2 MA) raggiungendo temperature elettroniche superiori ai 12 milioni di gradi (1.2 kev). L attività sperimentale, la modellizzazione e l interpretazione dei risultati permettono di capire i fenomeni che avvengono nel plasma e indicano gli sviluppi e le modalità operative da applicare per migliorare le performance del plasma. settori di attività Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri - Attività di accompagnamento al Progetto ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Formazione Al Consorzio RFX l attività di ricerca di fisica è integrata con quella di ingegneria, per lo sviluppo della tecnologia elettrica e delle alimentazioni, dell analisi e progettazione termomeccanica e strutturale, dei sistemi di controllo in tempo reale e, più in generale, della realizzazione e messa in funzione di grandi impianti sperimentali. Tra i risultati piu rilevanti ottenuti recentemente da RFX-mod, l evidenza sperimentale di un nuovo stato di equilibrio elicoidale ha ottenuto la pubblicazione su Nature Physics e uno spazio speciale sulla copertina della rivista (N.8, Agosto 2009). Il raggiugimento di questa configurazione è stato possible grazie al sistema per il controllo delle instabilità magnetiche, che agisce sul plasma attraverso 192 (48x4) bobine controllate indipendentemente. Questo sistema è stato il primo a copertura totale operante su un esperimento per la fusione. Copertina di Nature Physics con in evidenza la struttura elicoidale del plasma scoperta su RFX-mod

8 Iniettore di fasci di neutri (NBI) Calorimetro Separatore Neutralizzatore Acceleratore Sorgente

9 Consorzio RFX settori di attività In ITER il plasma di deuterio e trizio, confinato da intensi campi magnetici, verrà riscaldato da sistemi a radiofrequenza e da fasci di atomi neutri raggiungendo così le condizioni ottimali per ottenere i processi da fusione. Il progetto ITER prevede che la potenza da fusione prodotta superi quella immessa nel sistema dall esterno di un fattore 10. Il riscaldamento mediante fasci di neutri sarà realizzato tramite 3 iniettori che dovranno fornire al plasma complessivamente fino a 50 MW di potenza. Ciascun iniettore è composto da una sorgente di ioni negativi (deuterio), un acceleratore elettrostatico, un neutralizzatore, un separatore di ioni residui e infine un calorimetro. L acceleratore dovrà lavorare a 1 MV di tensione con una corrente alle griglie fino a 40 A (16 A di fascio) con impulsi di durata fino a un ora. Per sviluppare e provare gli iniettori da installare su ITER, verrà realizzato a Padova un laboratorio (Neutral Beam Test Facility - NBTF) idoneo a ospitare il prototipo e successivi perfezionamenti (detto MITICA). La costruzione di NBTF è iniziata a giugno La realizzazione dell impianto dovrà essere completata nei tempi definiti dal progetto ITER. Padova, con le competenze presenti presso il laboratorio del Consorzio RFX, l Università e l INFN di Legnaro, sarà in grado di fornire le infrastrutture e le competenze necessarie per ospitare l impianto e realizzare e mettere in funzione l iniettore, con la collaborazione dei laboratori europei di Culham (UK), di Garching (Germania), di Cadarache (Francia), di Naka (Giappone) e di Bhat (India). Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri - Attività di accompagnamento a ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Formazione Alcuni dati m 2 area CNR, compresi gli edifici di RFX 20 M investimenti italiani 200 M investimenti europei dai 5 ai 6 anni per la costruzione La sperimentazione e ulteriori sviluppi proseguiranno durante la vita di ITER ed oltre

10 settori di attività Consorzio RFX Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri - Attività di accompagnamento al Progetto ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Nell ambito del progetto ITER, l Unione Europea e il Giappone hanno siglato un accordo denominato Broader Approach. Esso riguarda la cooperazione UE-Giappone su tre grandi progetti di ricerca: STP, IFMIF e IFERC (per maggiori dettagli si rimanda al link: europa.eu/understandingfusion/broaderapproach.aspx). L Italia partecipa a due dei tre progetti. Il Satellite Tokamak Programme (STP), è un programma per la costruzione e operazione di un tokamak superconduttore di grandi dimensioni, satellite di ITER (JT-60SA). Il CNR tramite il Consorzio RFX, partecipa alla realizzazione di due sistemi delle alimentazioni elettriche: il sistema di protezione dei magneti superconduttori e il sistema di alimentazioni per il controllo veloce della configurazione magnetica. L investimento previsto è pari a circa 15 M. Formazione Un secondo programma prevede il completamento del progetto ingegneristico e lo sviluppo e prova dei componenti principali dell impianto IFMIF (International Fusion Material Facility). I laboratori dell INFN di Legnaro saranno impegnati nella realizzazione dell acceleratore quadrupolo a radio frequenza, grazie alle loro competenze in questo settore. L investimento previsto è pari a circa 25 M.

11 Broader Approach JT-60SA Un tokamak superconduttore simile ad ITER, ma di dimensioni più ridotte; verrà utilizzato per eseguire prove prelimirnari e per definire meglio gli scenari operativi già identificati in altri esperimenti di taglia inferiore. IFMIF Nelle centrali a fusione servono materiali idonei a consentire un adeguata durata dell impianto e con decadimento della radioattività in tempi minori di 100 anni. IFMIF è progettato per eseguire prove di resistenza al flusso neutronico sui materiali che verranno utilizzati nella fusione e selezionare così quelli più idonei per i diversi componenti della centrale.. Quadrupolo a radio frequenza Il componente principale dell impianto è un acceleratore capace di produrre un intenso flusso di neutroni con spettro di energia simile a quello della fusione.

12 settori di attività Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Consorzio RFX Nello svolgimento delle attività di ricerca, si è sempre tenuto conto, oltre che delle realizzazioni a carattere scientifico, anche di sviluppi tecnologici che da esse derivano. Alcuni esempi di ricadute in campo industriale sono: Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri Alimentazioni Elettriche - Attività di accompagnamento al Progetto ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Formazione Conversione di potenza Deposizione industriale di pellicole e trattamento di superfici Il sistema di Magnetron sputtering per processi industriali con il plasma

13 Esempi di ricadute industriali Applicazioni biologiche, biomediche e trattamento fine di superfici Un ago al plasma a bassa potenza a pressione atmosferica Propulsione spaziale Propulsore magnetoplasmadinamico (MPD) ad elevanta spinta per la propulsione spaziale

14 settori di attività Consorzio RFX Progetto RFX Ricerca sulla fisica dei plasmi Partecipazione al Progetto ITER - Iniettore di fasci di neutri - Attività di accompagnamento al Progetto ITER Innovazione e trasferimento tecnologico Formazione ricercatori del Consorzio e degli enti consorziati si dedicano alle attività di formazione, in collaborazione con I l Università. Presso il Consorzio, vengono seguiti laureandi in Ingegneria e Fisica per la preparazione della loro tesi. Ricercatori del Consorzio, da molti anni, svolgono attività di docenza per corsi inerenti la Fisica e l Ingegneria dei Plasmi e la Tecnologia della Fusione e per corsi di dottorato in Fisica, Energetica e Ingegneria Elettrotecnica. Dal 2008, è attivo il primo Dottorato Europeo congiunto in Scienza e Ingegneria della Fusione, con la partecipazione del Lisbon Instituto Superior Tecnico (Portogallo). E previsto che altre università si aggreghino nei prossimi anni. Parallelamente è attivo anche il Network europeo congiunto a livello di dottorato in Scienza e Ingegneria della Fusione, con la partecipazione della Ludwig Maximilian University di Monaco di Baviera (Germania) e del Lisbon Instituto Superior Tecnico (Portogallo). Il dottorato europeo è iniziato nell' anno accademico 2007/2008. Ogni anno sono presenti al Consorzio RFX circa 30 studenti tra laurendi e dottorandi. Per informazioni:

15 Competenze del consorzio RFX Le competenze del gruppo di Padova si sono nel tempo sviluppate nei seguenti settori: Fisica dei plasmi da fuisione in regimi con corrente elevata Teoria e modellizzazione dei plasmi RFP e tokamak Controllo dei modi magnetoidrodinamici Diagnostiche per plasmi termonucleari Iniettori di neutri per il riscaldamento del plasma Nel Consorzio operano 160 persone: 100 ricercatori 60 tecnici ed amministrativi Tecnologie elettriche e alimentazioni per esperimenti di fusione Controllo in tempo reale Realizzazione e operazione di impianti sperimentali di grandi dimensioni Aanalisi e progettazione strutturale e termomeccanica

16 Padova, con il Consorzio RFX, contribuisce al programma di ricerche europeo sulla fusione con un proprio laboratorio, per ricerca e sviluppo sulla fisica e tecnologia della fusione, e l esperimento RFX. Partecipa al progetto ITER in particolare con la realizzazione a Padova dell impianto dell iniettore di fasci di neutri e con le attività dell ITER Broader Approach. Il Consorzio RFX è costituito da ENEA, CNR, Università degli Studi di Padova, INFN, Acciaierie Venete S.p.A. L ENEA è l Ente nazionale che coordina tutte le attività italiane di ricerca sulla fusione. Il CNR con i centri di Milano e Padova è da sempre impegnato in questo settore di ricerca; a Padova, con l Istituto Gas Ionizzzati (IGI), è divenuto negli anni una realtà scientifica consolidata, con la partecipazione dell Università di Padova attraverso i dipartimenti di Ingegneria Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica, Fisica ed altri. L INFN, più recentemente, si è inserito in questo contesto apportando le proprie competenze nel campo degli acceleratori. Una struttura dinamica che consente di svolgere un ruolo di primo piano nell attività di ricerca sulla fusione internazionale (Eta Beta I) 1980 (Eta Beta II) dal 1992 (la macchina RFX)